(57)【要約】【課題】研磨液に対する耐性の向上を図り得るとともに長寿命化を図り得るエアバック方式の研磨ヘッドに用いられる弾性体を提供する。【解決手段】ウエハを化学機械研磨法により研磨する研磨装置のエアバック方式の研磨ヘッド側に設けられる弾性体５であって、ウエハに接触する第１弾性膜１１と、研磨ヘッド内に配置されて当該弾性体５を保持する保持部材４に接触する第２弾性膜１２とが積層され、さらに第１弾性膜１１が補強用粒子を含まず且つ研磨液に対する耐性が高い塩化ビニール系材料により構成されるとともに、第２弾性膜１２が補強用粒子を含み機械的強度が高いゴム系材料により構成されたもの。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板を化学機械研磨法により研磨する研磨装置のエアバック方式の研磨ヘッド側に設けられる弾性体であって、
少なくとも上記半導体基板に接触する第１の領域と、上記研磨ヘッド内に配置されて当該弾性体を保持する保持部材に接触する第２の領域とから構成され、
且つ上記第１の領域の材質が、上記第２の領域の材質よりも研磨液に対する耐性が高くされるとともに、
上記第２の領域の材質が、上記第１の領域の材質よりも機械的強度が高くされたことを特徴とする弾性体。
【請求項２】
第１の領域には、補強用粒子が含まれていないことを特徴とする請求項１記載の弾性体。
【請求項３】
第１の領域が塩化ビニール系材料により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性体。
【請求項４】
第２の領域がゴム系材料により構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の弾性体。
【請求項５】
第１の領域と第２の領域とが積層されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の弾性体。
【請求項６】
保持部材に保持される折返し部分に、第２の領域が積層されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の弾性体。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の弾性体を有するエアバック方式の研磨ヘッドを具備した半導体基板の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばシリコン半導体基板の製造途中で行われる化学機械研磨法（ＣＭＰ）による平坦化工程等で用いられる研磨装置におけるエアバック方式の研磨ヘッドに設けられる弾性体およびこの弾性体を具備した研磨装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平板状の被加工材、例えばシリコン半導体基板（以下、ウエハという）の表面を平坦に加工する場合、化学機械研磨装置（Chemical Mechanical Polishing Machine；以下、ＣＭＰ装置という）が使用されている。
【０００３】
一般的に、ＣＭＰ装置には、図４に示すように、表面に研磨布（研磨パッド）５２が貼り付けられた研磨定盤（プラテンともいう）５１と、ウエハＷを保持してその表面を上記研磨定盤５１の研磨布５２上に移動させるとともに研磨布５２上に押圧（研磨加圧ともいう）する研磨ヘッド５３とが具備されている。
【０００４】
上記研磨ヘッド５３は、ウエハＷを保持し得るヘッド本体６１と、このヘッド本体６１の下面に設けられるウエハＷの保持パッド６２と、ヘッド本体６１の外周部分に設けられてウエハＷが飛び出すのを防止するリテーナリング（ガイドリングともいう）６３とから構成されている（例えば、特許文献１参照）。なお、研磨定盤５１の上面には、研磨液（研磨剤、スラリーともいう）を噴出させるための研磨液供給ノズル５４が配置されている。
【０００５】
上記構成において、ウエハＷの研磨を行う場合、ウエハのロード／アンロード部にてヘッド本体６１にウエハＷを保持するとともに、研磨定盤５１上に移動させた後ウエハＷを研磨布５２上に押し付け、そして研磨液供給ノズル５４から研磨液を噴出させるとともに研磨定盤５１およびヘッド本体６１を回転させながら押圧することにより研磨が行われている。
【０００６】
また、ウエハＷの保持・解放は、ロード／アンロード部にて行われ、場合によっては、ロード／アンロード部は研磨ヘッドの洗浄部も兼ねている。
なお、ヘッド本体６１に設けられるリテーナリング６３としては、テフロン（登録商標）またはＰＰＳなどのエンジニアリングプラスチックが用いられる。
【０００７】
ところで、研磨ヘッド５３に設けられる保持パッド６２の材質としては、硬質材の場合と軟質材との場合がある。
硬質材の場合には、ＳＵＳ材、アルミナセラミックスなどが用いられ、この場合、保持パッドはトップリングと呼ばれ、真空吸着によりウエハ裏面をダイレクトに保持した状態でウエハ表面の研磨が行われる。
【０００８】
また、軟質材の場合は、エアバック方式の研磨ヘッドに使用されるもので、メンブレンと呼ばれるシリコンゴム膜、ネオプレンゴム膜などの弾性体であり、ウエハ裏面を保持した状態でウエハ表面の研磨が行われるものや、プラスチック薄膜にゴムを蒸着成長させてなるバッキングパッドと呼ばれるものが使用されて、水張り吸着や真空吸着などによりウエハ裏面を保持した状態でウエハ表面の研磨が行われるものがある。
【０００９】
ところで、エアバック方式の研磨ヘッドを使用した場合、ウエハＷをヘッド本体６１内で保持させ、研磨液を供給しながら研磨布５２上にてメンブレンである弾性体越しにウエハＷ裏面に研磨圧力を付与してウエハＷの研磨が行われることになる。
【００１０】
図５に、従来におけるエアバック方式の研磨ヘッドの概略断面図を示す。
このエアバック方式の研磨ヘッド７１は、所定高さで且つ水平断面形状が円形の第１圧力室７３が形成されたヘッド本体７２と、この第１圧力室７３内に配置されるとともに研磨時にウエハＷを研磨定盤側に押圧するための弾性体７５を主として下面側に保持する円板状の保持部材７４と、この保持部材７４との間の第１圧力室７３内に空気を給排出するための第１空気供給管路７６と、上記保持部材７４と弾性体７５との間に形成される第２加圧室７７に空気を供給して弾性体７５を外側に膨張させることによりウエハＷに研磨圧力を付与するための第２空気供給管路７８とが具備されている。
【００１１】
すなわち、第１空気供給管路７６から空気を供給することにより、保持部材７４を移動させて弾性体７５をウエハＷに押し付けた後、さらに第２空気供給管路７８から空気を供給することにより、弾性体７５越しにウエハＷに所定の研磨圧力を付与するようにしたものである。したがって、研磨ヘッドの保持パッドとして用いられる弾性体７５は、ウエハＷの保持・解放時および研磨プロセス中において、伸縮動作を受けることになる。
【特許文献１】特開２００５−１４１２８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上記ＣＭＰ装置によると、特に、Ｗ−ＣＭＰ装置などにおいては、酸性の研磨液が使用されるため、当該研磨液が接触する弾性体７５に腐食が生じ、使用頻度の増加に伴い弾性体の耐摩耗性、耐久性、弾性率などの機械的強度が低下して、研磨プロセスにおける研磨圧力などを安定させることができなくなる虞が生じる。
【００１３】
特に、応力集中を受ける弾性体の端部に亀裂が発生してエアーが漏れると、ウエハの保持力および適正な研磨圧力が得られなくなり、場合によっては、研磨中にウエハが割れたり、搬送中にウエハを落としてしまう虞があり、その結果、ウエハの歩留まりが低下するという問題が生じる。このため、弾性体の使用寿命を著しく短く設定する必要があり、ＣｏＯ（所有コスト）が増大することになる。
【００１４】
また、多度の研磨ヘッド交換により装置の稼働率を低下させる虞もあり、また弾性体内に補強用粒子などが含まれている場合、腐食により補強用粒子が顕われて、研磨中のウエハの表裏面および研磨液に入り込み、ウエハ表面にマイクロスクラッチを生じさせる虞もある。この場合、配線間のリークや配線間のショートといったデバイス不良に繋がってしまう。
【００１５】
そこで、本発明は、研磨液に対する耐性の向上を図り得るとともに長寿命化を図り得るエアバック方式の研磨ヘッドに用いられる弾性体およびこの弾性体を用いた研磨装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る弾性体は、半導体基板を化学機械研磨法により研磨する研磨装置のエアバック方式の研磨ヘッド側に設けられる弾性体であって、
少なくとも上記半導体基板に接触する第１の領域と、上記研磨ヘッド内に配置されて当該弾性体を保持する保持部材に接触する第２の領域とから構成され、
且つ上記第１の領域の材質が、上記第２の領域の材質よりも研磨液に対する耐性が高くされるとともに、
上記第２の領域の材質が、上記第１の領域の材質よりも機械的強度が高くされたものである。
【００１７】
また、請求項２に係る弾性体は、請求項１に記載の弾性体における第１の領域に補強用粒子が含まれないものである。
また、請求項３に係る弾性体は、請求項１または２に記載の弾性体における第１の領域が塩化ビニール系材料により構成されているものである。
【００１８】
また、請求項４に係る弾性体は、請求項１乃至３のいずれかに記載の弾性体における第２の領域がゴム系材料により構成されているものである。
また、請求項５に係る弾性体は、請求項１乃至４のいずれかに記載の弾性体における第１の領域と第２の領域とが積層されているものである。
【００１９】
また、請求項６に係る弾性体は、請求項１乃至４のいずれかに記載の弾性体における保持部材に保持される折返し部分に、第２の領域が積層されているものである。
さらに、請求項７に係る半導体基板の研磨装置は、請求項１乃至６のいずれかに記載の弾性体を有するエアバック方式の研磨ヘッドを具備したものである。
【発明の効果】
【００２０】
上記弾性体および研磨装置によると、弾性体を、外側の第１の領域と内側の第２の領域とで構成し、さらに研磨液に接触する第１の領域については、研磨液に対する耐性を高くするとともに、保持部材側に保持される第２の領域については、機械的強度を高くしたので、研磨液による腐食を防止し得るとともに応力集中が発生する部分での亀裂などの発生を抑制することができ、したがって化学機械研磨法を用いた場合での研磨プロセスを安定させて被研磨物の研磨不良を防止することができるので、製品の歩留まりを向上させ得るとともに弾性体の長寿命化を図ることができる。すなわち、研磨ヘッドのＣｏＯ（所有コスト）の低減化および研磨ヘッドのメンテナンスの長期化に伴うＣｏＯの低減化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態に係る弾性体およびこの弾性体を用いた研磨装置を、図１および図２に基づき説明する。
【００２２】
なお、本実施の形態においては、化学機械研磨法（ＣＭＰ）を用いるとともにエアバック方式の研磨ヘッドを有してシリコン半導体基板（以下、ウエハという）を研磨するための研磨装置に適用して説明する。
【００２３】
すなわち、図１に示すように、この研磨装置には、少なくとも、表面に研磨布（研磨パッドともいう）が貼り付けられた研磨定盤（図示せず）と、ウエハＷを保持して研磨定盤の研磨布上に移動させるとともに、当該ウエハＷの表面（下面）を研磨布に押圧し得るエアバック方式の研磨ヘッド１とが具備されている。
【００２４】
そして、この研磨ヘッド１は、下部に、所定高さで且つ水平断面形状が円形の第１圧力室（下面が開放された凹状空間室でもある）３が形成された有蓋筒状のヘッド本体２と、このヘッド本体２の第１圧力室３内に配置されるとともに研磨時にウエハＷを研磨定盤側に押圧（研磨加圧ともいう）するための弾性体５を主として下面側に保持する円板状の保持部材４と、この保持部材４との間の第１圧力室３内に加圧流体例えば空気を給排出するための第１空気供給管路（加圧流体供給管路ともいえる）６と、上記保持部材４と弾性体５との間に形成された隙間（空間部）である第２圧力室７に加圧流体例えば空気を供給して弾性体５を外側に膨張させることにより当該ヘッド本体１に保持されたウエハＷを研磨定盤に押圧するための第２空気供給管路８とが具備されている。なお、ウエハＷの吸着および離脱動作である保持・解放動作は、別途設けられた真空管路により行われる（例えば、弾性体に開口部が形成されるとともに、この開口部に真空管路が接続されており、この開口部を介して、ウエハの吸着および離脱が行われる）。
【００２５】
上記第１空気供給管路６は、ヘッド本体２に形成された穴部６ａと、この穴部６ａに接続された第１空気供給管６ｂとから構成され、また上記第２空気供給管路８は、ヘッド本体２および保持部材４にそれぞれ形成された穴部８ａ，８ｂと、ヘッド本体２の穴部８ａに接続された第２空気供給管８ｃと、ヘッド本体２の穴部８ａと保持部材４の穴部８ｂとを接続する可撓性の接続管８ｄとから構成されている。
【００２６】
上記弾性体５は、図２に示すように、その外周部分が保持部材４の周縁部に被せられて保持されるとともに２つの弾性膜１１，１２が積層された２層構造にされている。具体的には、ウエハＷに接触する外側の第１弾性膜（第１の領域に相当する）１１と、保持部材４に接触する内側の第２弾性膜（第２の領域に相当する）１２とで構成されるとともに、その外周部分に折返し部５ａが形成されている。なお、両弾性膜１１，１２の積層化は接着剤等を塗布して接着することにより得られる。
【００２７】
さらに、研磨液（研磨剤、スラリーともいう）に接触する外側の第１弾性膜１１については、補強用粒子としてのＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などの粒子を含まないようにされるとともに研磨液に対する耐性すなわち耐薬品性および平滑性に優れた例えば塩化ビニール系材料が用いられており、また研磨液に接触しない内側の第２弾性膜１２については、補強用粒子としてのＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などの粒子を含んだ機械的強度（耐摩耗性、耐久性、弾性率など）の高い（強い）例えばゴム系材料が用いられている。
【００２８】
上記弾性体５を用いた研磨ヘッド１にて、ウエハＷを研磨する場合、ロード／アンロード部でウエハＷを保持して研磨定盤上に移動させ、そして第１空気供給管路６より空気を第１圧力室３に供給してウエハＷを研磨定盤上に押し付けた後、さらに第２空気供給管路８より第２圧力室７に空気を供給して弾性体５を介してウエハＷを研磨定盤に押圧させ、この状態で、研磨液を供給しながら研磨定盤および研磨ヘッド１を回転させることにより研磨が行われる。勿論、研磨時においては、第２圧力室７に供給される空気により、弾性体５を介してウエハＷに所定の研磨圧力が付与されている。
【００２９】
このように、弾性体５を、外側の第１弾性膜１１と内側の第２弾性膜１２とで構成するとともに、研磨液に接触する第１弾性膜１１については、補強用粒子が含まれない塩化ビニール系材料を用いたので、酸性の研磨液（所謂、酸性スラリー）による腐食を防止し得るとともに、腐食・摩耗等により補強用粒子が顕れて（飛び出して）研磨中のウエハＷの表面または研磨液中に混入することによるウエハＷ表面でのマイクロスクラッチの発生を防止することができる。
【００３０】
さらに、研磨液に接触しないが保持部材４に接触する第２弾性膜１２については、補強用粒子が含まれて機械的強度が高く（強く）されたゴム系材料を用いたので、長寿命化を図ることができる。
【００３１】
簡単に言えば、補強用粒子が含まれていない一般的な塩化ビニール系材料は、酸性の研磨液による腐食を防止できるが、機械的強度が弱く短時間の使用でも亀裂が入り使用寿命が短いという性質、および一般的に使用されているゴム系材料は、機械的強度が高く使用寿命は長いが、酸性の研磨液により腐食を受けて機械的性質が低下するとともに補強用粒子が顕われてウエハ表面にマイクロスクラッチを生じさせる虞があるという性質の、それぞれの長所が得られるようにしたものである。
【００３２】
すなわち、弾性体の外側の弾性膜に、補強用粒子が含まれていないが研磨液に対する耐性を有する塩化ビニール系材料を用いるとともに、内側の弾性膜に、補強用粒子を含み機械的強度が高いゴム系材料を用いることで、ウエハにマイクロスクラッチを生じさることなく長寿命化を実現することができる。言い換えれば、ウエハの歩留まりを低下させることなく、ＣｏＯ（所有コスト）を低減させ得る弾性体および研磨装置を提供することができる。
【００３３】
ところで、上記実施の形態においては、弾性体を２層構造として説明したが、図３に示すように、弾性体５の保持部材４への保持部分である折返し部分５ａだけを２層構造にしてもよい。
【００３４】
すなわち、弾性体５の殆どを、第１弾性膜１１で構成するとともに、保持部材４に係合される折返し部分（保持部材の周縁部を包み込む部位）５ａの内側部分に、断面が溝型状の環状部材としての第２弾性膜１２を積層させたものである。勿論、第１弾性膜１１には、補強用粒子が含まれていない塩化ビニール系材料が用いられるとともに、第２弾性膜１２には、補強用粒子としてのＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などの粒子を含んだ機械的強度（耐摩耗性、耐久性、弾性率など）の高い材料例えばゴム系材料が用いられている。なお、第２弾性膜１２の積層部分については、同心円状に配置されるのが望ましい。
【００３５】
この構成により、弾性体を部分的に強度の向上を図ることができる。特に、応力集中が生じる弾性体の保持部材への係合側端部（周縁部）、すなわち折返し部分の補強を行うことができる。
【００３６】
また、上記各実施の形態においては、積層部分を２層構造としたが、さらなる柔軟性、復元性などの機械的性質を向上させるために３層構造以上の多層構造にすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態に係る研磨装置の研磨ヘッドの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大図である。
【図３】同研磨装置の研磨ヘッドの変形例を示す要部拡大図である。
【図４】従来例の一般的な研磨装置における研磨部分の断面図である。
【図５】従来例のエアバック方式における研磨ヘッドの断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
Ｗ      ウエハ
１      研磨ヘッド
２      ヘッド本体
３      第１圧力室
４      保持部材
５      弾性体
６      第１空気供給管路
７      第２圧力室
８      第２空気供給管路
１１      第１弾性膜
１２      第２弾性膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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